沂沭斷裂帶臨沂段地?zé)豳Y源水化學(xué)及環(huán)境同位素特征

江海洋，王樹星，劉 連，曹艷玲，史 猛，李婷婷，孫文廣

（1. 山東省第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東·濟(jì)南 250014；2. 山東省第三地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東·煙臺 264000；3. 臨沂市國土資源局，山東·臨沂 276301）

沂沭斷裂帶是中國東部巨型活動斷裂帶——郯廬斷裂帶山東地區(qū)的稱謂，它對山東地區(qū)大地構(gòu)造格局的形成起到了重要的控制作用。沂沭斷裂帶在近代仍有活動，四條主干斷裂均為第四紀(jì)活動斷裂。自西向東分別為鄌郚—葛溝斷裂、沂水—湯頭斷裂、安丘—莒縣斷裂和昌邑—大店斷裂。除此之外還包括較多次級斷裂[1-2]。斷裂帶內(nèi)及兩側(cè)地質(zhì)條件有利于地?zé)豳Y源的形成，分布有多個地?zé)岙惓^(qū)，擁有2600年歷史的湯頭溫泉就坐落于此。沂沭斷裂帶地?zé)岣患瘏^(qū)是臨沂市最重要的地?zé)岣患瘏^(qū)，多年以來一直是臨沂市地?zé)豳Y源開發(fā)的重點區(qū)域，近年來該區(qū)共施工了20余口地?zé)峋?，大部分比較成功，是臨沂市地?zé)豳Y源總體規(guī)劃布局的中軸線[3-11]。

1 地質(zhì)條件及地?zé)豳Y源分布特征

1.1 地層與構(gòu)造

研究區(qū)內(nèi)斷裂十分發(fā)育。北北東向的四條主干斷裂縱貫全區(qū)，另外自北向南分布有九山斷裂、韓旺—沂水?dāng)嗔?、金星頭斷裂、馬牧池斷裂、孫祖斷裂、新泰—垛莊斷裂、蒙山斷裂、甘霖斷裂等規(guī)模不一的次級斷裂體系。沂沭斷裂帶在多期活動中，主斷面表現(xiàn)出不同的力學(xué)性質(zhì)。先期的張性活動，形成了寬大的斷裂破碎帶，并引發(fā)了中生代白堊紀(jì)火山噴發(fā)和斷陷沉積。新生代古近紀(jì)以來又表現(xiàn)為強烈的擠壓，形成一系列壓性構(gòu)造，主斷面為壓扭性力學(xué)性質(zhì)，表現(xiàn)為阻水、隔熱的水文地質(zhì)特征。

鄌郚—葛溝斷裂以西，各斷陷盆地內(nèi)自南西向北東依次分布新太古界泰山巖群，元古界震旦系，古生界寒武系和奧陶系，中生界石炭系、二迭系、侏羅系和白堊系，新生界古近系、新近系及第四系等；鄌郚—葛溝斷裂與沂水—湯頭斷裂之間的馬站—蘇村地塹、昌邑—大店斷裂與安丘—莒縣斷裂之間的莒縣—郯城地塹內(nèi)，主要分布中生界白堊系萊陽群、青山群、大盛群、王氏群；中部汞丹山地壘主要分布太古界泰山巖群；昌邑—大店斷裂以東，分布元古界沂水巖群、荊山群片麻巖；中生界白堊系萊陽群、青山群、大盛群、王氏群及第四系（圖1）。

圖1 沂沭斷裂帶區(qū)域地質(zhì)略圖Fig.1 Regional geological map of Yishu Fault Zone

1.2 大地?zé)崃鞣植继卣?/h3>

大地?zé)崃骺梢苑从硡^(qū)域的地?zé)岜尘盃顟B(tài)和地質(zhì)構(gòu)造活動狀況。大地?zé)崃髦笛匾抒饠嗔褞П憩F(xiàn)為一條梯度遞變帶[3-4](圖2)，自北向南在濰坊、臨沂城區(qū)、郯城各有一個小的封閉高值區(qū)，大于全球平均值（63mw/m2）10mw/m2以上。郯城、濰坊地區(qū)大地?zé)崃髦底罡叽笥?5mw/m2，臨沂城區(qū)約為70mw/m2。沂沭斷裂帶東側(cè)要高于西側(cè)，熱流值在魯西地塊上呈近南北展布低值區(qū)，約在44.9～50.2mw/m2之間，而膠南隆起帶上熱流值約70mw/m2。

圖2 沂沭斷裂帶及鄰區(qū)大地?zé)崃髦?mw/m2)Fig.2 Heat flow values of Yishu Fault Zone and adjacent area

1.3 地溫場分布特征

沂沭斷裂帶中、新生代活動強烈，并伴隨著頻繁的巖漿活動。深切上地幔的斷裂破碎帶為地下水深循環(huán)提供了通道，地下水深循環(huán)又加快了深部熱流的上涌。研究區(qū)熱源具有多元性質(zhì)，既有地幔熱流，又有殼源放射性元素衰變產(chǎn)熱以及斷裂帶活動產(chǎn)生的熱量。但值得指出的是，沂沭斷裂帶四條主干斷裂都曾經(jīng)歷過張性階段，斷距較大，屬于近似開放系統(tǒng)，熱量散失較快，很難聚集。沂沭斷裂帶的地溫梯度一般為小于2.5℃/100m，相對較??；次級壓扭性斷裂附近。

1.4 地?zé)豳Y源分布特征

依據(jù)異常區(qū)所處的區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造背景、遙感解譯熱紅外信息反映的強弱、地溫場特征和地下熱水賦存條件等因素，同時適當(dāng)考慮熱儲類型、水溫、水量、已知開發(fā)利用溫泉情況及開發(fā)利用遠(yuǎn)景、地理環(huán)境等因素將研究區(qū)劃分出28個地?zé)岙惓^(qū)[3]，占臨沂市地?zé)岙惓^(qū)總數(shù)的57.14%。自北向南依次分布有沂水地?zé)崽?、銅井地?zé)崽?、松山地?zé)崽铩^地?zé)崽?、北城新區(qū)地?zé)崽?、西高都地?zé)崽锏?。已備案地?zé)峥刹少Y源量15135.35m3/d，占臨沂市已備案地?zé)豳Y源總量的88.51%。

2 水化學(xué)特征

2.1 礦化度及pH

研究區(qū)地?zé)崴V化度范圍為462.65～15677.35mg/L（表1），在空間上呈現(xiàn)出北低南高、西低東高的規(guī)律。其中沂水東方瑞海地?zé)崴V化度最低，為462.65mg/L，莒南大店地?zé)崴V化度最高，為15677.35mg/L。pH值為7.02～9.57，均屬于弱堿性水。

表1 區(qū)內(nèi)地?zé)崴|(zhì)分析成果表(mg/L)Table 1 Results of water quality analysis (mg/L)

2.2 主要離子特征

（1）rNa/rCl

區(qū)內(nèi)水化學(xué)類型比較復(fù)雜，除沂水地?zé)崽锿?，礦化度均超過1g/L，Cl-及Na+離子含量較高，利用各地?zé)崴性氐哪枬舛缺萺Na/rCl與大洋水（rNa/rCl=0.85）作對比判斷地?zé)崴膩碓?，?jīng)計算湯坊崖地?zé)峋氨背切聟^(qū)DR1井略小于0.85，可能存在部分古代沉積水；其余地?zé)崴性氐膔Na/rCl均大于0.85，符合大陸溶濾水的基本特征，即地?zé)崴难a給來源主要為大氣降水。

（2）離子組成

為了直觀地表達(dá)各地?zé)崴兄饕x子的組成，采用上述10組地?zé)崴|(zhì)分析結(jié)果，繪制了各主要離子成分的玫瑰花圖[12-14]（圖3）。區(qū)內(nèi)地?zé)崴庪x子以Cl-為主，主要陽離子為Na+離子，地下水化學(xué)類型以Cl-Na型和Cl-Na·Ca型為主，區(qū)內(nèi)地?zé)崴?jīng)過了較長時間的循環(huán)及水巖反應(yīng)。

圖3 主要離子成分玫瑰花圖Fig.3 Rose diagram of major ionic components

2.3 地?zé)崃黧w組分動態(tài)特征

天然狀態(tài)下，地下水水化學(xué)動態(tài)比較穩(wěn)定，而人類活動可能對地下水動態(tài)產(chǎn)生多重影響。國內(nèi)外很多地?zé)崽镆蜷_采量的增大出現(xiàn)了水質(zhì)淡化甚至污染的情況。

臨沂市地?zé)豳Y源開發(fā)管理處對研究區(qū)內(nèi)已開發(fā)地?zé)崽镞M(jìn)行了長期的水質(zhì)監(jiān)測，定期采取地?zé)崴畼舆M(jìn)行水質(zhì)分析[11]。由于湯頭溫泉開發(fā)利用程度較高，水質(zhì)監(jiān)測資料最為豐富（圖4）。湯頭溫泉的水化學(xué)成分處于持續(xù)變化中，2005-2007年，各主要化學(xué)組分含量呈現(xiàn)出不斷下降的趨勢，2007年達(dá)到最低值，隨后又穩(wěn)步回升。通過與湯頭地?zé)崽餁v年開采量對比發(fā)現(xiàn)，在此期間溫泉開采量較大。地?zé)崴_采量過大刺激冷水補給增加，是導(dǎo)致這一現(xiàn)象的根本原因。

監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，當(dāng)開采量長期保持較高水平，地?zé)崴牡V化度及主要離子成分均不同程度降低，呈現(xiàn)水質(zhì)淡化趨勢并伴隨著水位、水溫的降低；當(dāng)開采量較小時，地下水水溫、水量、水質(zhì)動態(tài)變化均較小。

圖4 湯頭溫泉主要化學(xué)組分變化趨勢圖Fig.4 Changing trend of main chemical composition of Tangtou hot spring

表2 湯頭溫泉水質(zhì)變化情況一覽表Table2 List of water quality changes in Tangtou hot spring

2.4 微量組分特征

地?zé)崴谏钛h(huán)過程中，與圍巖發(fā)生相互作用，水中溶解的微量元素不斷增加，尤其在相對封閉穩(wěn)定的循環(huán)系統(tǒng)中更有利于水中化學(xué)組分的聚集，區(qū)內(nèi)地?zé)崴缓現(xiàn)、Sr、Li、偏硅酸等對人體有益的微量組分(表3)?！独懑煙岬V水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》[15]根據(jù)對人體有益的化學(xué)組分含量高低將理療熱礦水劃分為命名礦水濃度、礦水濃度和有醫(yī)療價值濃度三類。根據(jù)本次水化學(xué)分析結(jié)果，區(qū)內(nèi)10個地?zé)崽锏責(zé)崴蠪含量為1.72～11.5mg/L，有8處達(dá)到命名氟型醫(yī)療熱礦水的濃度，1處達(dá)到礦水濃度，1處達(dá)到有醫(yī)療價值濃度；地?zé)崴蠸r含量為0.23～52.52mg/L，有3處達(dá)到命名鍶水醫(yī)療熱礦水的濃度；5處地?zé)崽風(fēng)i含量達(dá)到了礦水濃度標(biāo)準(zhǔn)；偏硅酸含量為31.2～87.75mg/L，有三處達(dá)到命名偏硅酸型醫(yī)療熱礦水的濃度，其余7處達(dá)到礦水濃度。研究區(qū)地?zé)崴哂休^高的醫(yī)療價值，適宜作為理療用水。

表3 研究區(qū)地?zé)崴幸娼M分一覽表(mg/L)Table 3 List of bene ficial components of hot water (mg/L)

3 環(huán)境同位素特征

環(huán)境同位素組成在地下水運移過程中具有一定的穩(wěn)定性，但對溫度變化、水巖反應(yīng)、蒸汽散發(fā)、混合稀釋等過程具有敏感標(biāo)記作用，放射性同位素獨特的衰變特性可以用來計時定年?？梢岳铆h(huán)境同位素的這些特性來研究地?zé)崴难a給來源和循環(huán)過程。

3.1 放射性同位素特征

地?zé)崴?jīng)歷了較長時間的徑流循環(huán)，其滯留含水層的時間較長。利用水中氚的含量可以大致區(qū)分地?zé)崴呛吮斑€是核爆后補給。1952年以前補給的地下水中不含核爆氚，經(jīng)歷幾十年的衰變，含量已經(jīng)可以忽略。3H小于1TU（儀器檢出限）可認(rèn)為是1952年以前補給的；大于1TU則有相當(dāng)一部分為1952年后補給。對于大于60年的年老地下水，可以用14C進(jìn)行測年。

東方瑞海、松山、湯坊崖地?zé)崴?H含量均小于1TU，主要為1952年前補給。其余地?zé)崴?H大于1TU，為1952年以前的補給水與近代補給水的混合水。

銅井地?zé)崴?、湯頭溫泉水14C含量分別為67.40±1.18PMC、65.36±2.53PMC， 其 表 觀 年 齡 為3.26±0.15Ka、3.52±0.32Ka。由于受到淺部年輕冷水混合作用，研究區(qū)地?zé)崴挲g應(yīng)該大于3500a。

3.2 氫氧穩(wěn)定同位素特征

地?zé)崃黧w中穩(wěn)定同位素δD和δ18O的組成通常用于確定地?zé)崃黧w的成因，本次采集并檢測了區(qū)內(nèi)地?zé)崴?、常溫地下水?1件。地?zé)崴饵c主要落在關(guān)系曲線的左下方，常溫地下水主要落在右上方，都在全球雨水線附近，反映區(qū)內(nèi)地下水為大氣降水補給。

圖5 δD-δ18O關(guān)系圖Fig.5 Relation diagram of δD-δ18O

4 熱儲溫度

地?zé)崴某鏊跍囟炔⒉荒艽頍醿拥臏囟?，因為熱水運移過程中難以避免地與淺層冷水及圍巖發(fā)生熱量交換，使水溫降低。雖然鉆探揭露含水層后可以進(jìn)行穩(wěn)態(tài)測溫，但地溫場的恢復(fù)需要幾個月的時間，往往難以進(jìn)行。目前主要用地球化學(xué)溫標(biāo)計算熱儲溫度。常見的地?zé)釡貥?biāo)有SiO2地?zé)釡貥?biāo)、陽離子地?zé)釡貥?biāo)、同位素地?zé)釡貥?biāo)和氣體溫標(biāo)四類，其適用范圍各異[16-18]。

溫度是調(diào)節(jié)水中SiO2含量的主要因素，即使熱泉水因傳導(dǎo)損失而冷卻，其SiO2含量仍對地下溫度具有指示作用。計算結(jié)果通常略高于實際出水溫度，反映該地?zé)崴谏钛h(huán)過程中曾經(jīng)達(dá)到過的溫度。

SiO2溫標(biāo)計算公式如下：

式中：

t：估算熱儲溫度，℃；

C1：水中溶解的SiO2含量，mg/L。

本文采用SiO2溫標(biāo)計算熱儲溫度（表4），熱儲溫度在68.5～125.7℃之間，與32～74℃的出水口溫度相差較大，反映了各地?zé)崴休^多冷水混入，在地?zé)峋昃^程中做好上層冷水封堵工作能夠較大幅度提高鉆取的地?zé)崴疁囟取?/p>

表4 熱儲溫度計算結(jié)果一覽表Table 4 Calculation results of thermal storage temperature

5 結(jié)論

（1）區(qū)內(nèi)地?zé)崴瘜W(xué)類型以Cl-Na型和Cl-Na·Ca型為主，礦化度均較高。已開發(fā)的地?zé)崽镫S著開采量的增加，地下熱水水質(zhì)有淡化的趨勢，應(yīng)合理控制開采量，保證地?zé)豳Y源的可持續(xù)性利用。

（2）區(qū)內(nèi)地?zé)崴缓現(xiàn)、Sr、Li、偏硅酸等對人體有益的化學(xué)組分，具有較高的醫(yī)療價值，適宜作為理療用水。

（3）研究區(qū)內(nèi)主要由大氣降水補給形成，少數(shù)可能存在古代沉積水。地?zé)崃黧w平均年齡在3500a左右，徑流路徑長、更新速度慢。

（4）SiO2溫標(biāo)推算的熱儲溫度與出水口溫度相差較大，反映了各地?zé)崴休^多冷水混入，在地?zé)峋昃^程中做好上層冷水封堵工作能夠大幅提高開采的地?zé)崴疁囟取?/p>